南瑞繼保電氣等單位鄒強(qiáng)、張國華等：柔性直流輸電控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試方法

對于柔性直流輸電（VSC-HVDC）系統(tǒng)的振蕩問題，理論研究和工程實(shí)際均表明，可通過降低控制延時(shí)大幅改善換流器阻抗特性，降低發(fā)生振蕩的可能性。南京南瑞繼保電氣有限公司、國網(wǎng)直流技術(shù)中心、國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司的鄒強(qiáng)、張國華、劉卓錕、劉黎、隨順科，在2025年第12期《電氣技術(shù)》上撰文針對柔性直流輸電系統(tǒng)的延時(shí)測量方法展開研究，介紹柔性直流輸電系統(tǒng)的控制分層與控制各環(huán)節(jié)對頻帶的影響，提出柔性直流輸電的控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)、閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)及全鏈路延時(shí)的測試方法。以江蘇如東柔性直流輸電工程試驗(yàn)為例，給出控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)、閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)及全鏈路延時(shí)的測試結(jié)果，結(jié)果證明了所提方法有效。

與陸地風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、單機(jī)容量較大、能量產(chǎn)出大、年利用小時(shí)數(shù)高，以及不占用陸地寶貴的土地資源等優(yōu)勢。從全球范圍來看，自20世紀(jì)90年代以來，經(jīng)過多年的探索，海上風(fēng)電技術(shù)已日趨成熟，裝機(jī)容量穩(wěn)定持續(xù)上升。相關(guān)研究表明，對于離岸距離超過73 km、容量大于1.4 GW的海上風(fēng)電項(xiàng)目，相比交流輸電，柔性直流輸電更具經(jīng)濟(jì)性和可靠性。德國、英國已經(jīng)將柔性直流輸電技術(shù)作為遠(yuǎn)海大容量風(fēng)電接入的主要技術(shù)，國際能源署（International Energy Agency, IEA）發(fā)布的《2019年海上風(fēng)電展望》顯示，到2040年海上風(fēng)電有望成為歐洲的主要電力來源。

海上風(fēng)電通過柔性直流輸電接入，通常包括風(fēng)電機(jī)組、海底電纜、海上升壓站、交流高壓電纜、海上柔性直流換流站、直流電纜、陸上柔性直流換流站、連接交流電網(wǎng)的線路，最終實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電送入交流電網(wǎng)。其中，柔性直流輸電系統(tǒng)的主要構(gòu)成為陸上換流站、直流輸電線路及海上換流站。

海上風(fēng)電接入至少包括風(fēng)機(jī)變流器和柔性直流換流器兩種不同的換流器，在運(yùn)行過程中因?yàn)殡娏﹄娮釉O(shè)備的快速控制特性，若換流器一次參數(shù)與換流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，將導(dǎo)致變流器系統(tǒng)呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性，可能造成整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性，從而引起系統(tǒng)振蕩。

過大的延時(shí)導(dǎo)致?lián)Q流器在較低的高頻段呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性，使其對系統(tǒng)振蕩阻尼減弱甚至放大振蕩。理論研究和工程實(shí)際均表明，在工程應(yīng)用過程中出現(xiàn)的柔性直流振蕩問題，可以通過降低控制延時(shí)大幅改善換流器阻抗特性來緩解。有文獻(xiàn)指出優(yōu)化數(shù)字控制延時(shí)受硬件條件的制約，有文獻(xiàn)在現(xiàn)有硬件條件下改善系統(tǒng)響應(yīng)特性，有文獻(xiàn)對柔性直流閥控（valve based control, VBC）系統(tǒng)鏈路延時(shí)進(jìn)行分析與測試。本文提出一種柔性直流輸電系統(tǒng)的延時(shí)測試方法，以便分析柔性直流振蕩問題，設(shè)計(jì)并改進(jìn)柔性直流控制系統(tǒng)。

1 典型柔性直流輸電工程概述

本文以國內(nèi)首個(gè)將柔性直流輸電技術(shù)運(yùn)用于海上風(fēng)電的江蘇如東柔性直流輸電工程為例進(jìn)行研究。該工程位于江蘇省南通市，直流電壓±400 kV，額定功率1 100 MW，2021年12月投運(yùn)。江蘇如東柔性直流輸電工程示意圖如圖1所示，3座海上風(fēng)電場裝機(jī)容量分別為400 MW、400 MW、300 MW，每座風(fēng)電場分別建設(shè)1座220 kV海上升壓站，風(fēng)電經(jīng)過海上升壓站升壓后分別通過兩回220 kV海纜接入海上換流站。海上換流站將電能整流為直流后，通過一回108 km（其中海纜99 km）的高壓直流電纜送至陸上換流站。

圖1 江蘇如東柔性直流輸電工程示意圖

江蘇如東柔性直流輸電工程采用南瑞繼保電氣有限公司的新一代直流控制保護(hù)平臺UAPC（unified advanced platform for protection and control）3.0，以提升平臺計(jì)算、通信能力和安全水平，降低系統(tǒng)控制延時(shí)，同時(shí)提高運(yùn)維方便性，滿足快速電力電子控制和新型功率器件技術(shù)發(fā)展需求。UAPC3.0具有以下特點(diǎn)：

1）采用高性能、低延時(shí)的多核并行計(jì)算方案，最快任務(wù)周期10 ms。

2）支持主機(jī)靈活擴(kuò)展資源的高速分布式系統(tǒng)實(shí)時(shí)總線技術(shù)，總線速率達(dá)2.5 Gbit/s。

3）采用支持流水線式并行計(jì)算的高速輸入/輸出（input/output, I/O）采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，延時(shí)低至7 ms。

4）采用單套主機(jī)通信接口、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)冗余，I/O端雙模數(shù)（analog to digital, AD）采樣、實(shí)時(shí)比對。

2 柔性直流輸電控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)分層

根據(jù)完成功能與控制目標(biāo)，柔性直流輸電系統(tǒng)換流站的控制保護(hù)可以分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制、換流閥和子模塊級控制。柔性直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。根據(jù)功能分層，對應(yīng)于控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)備，可分為控制保護(hù)設(shè)備、閥控與子模塊控制設(shè)備兩大類，本文將控制保護(hù)設(shè)備的鏈路延時(shí)稱為控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)。

1）系統(tǒng)級控制確定柔性直流輸電工程各個(gè)換流站的控制目標(biāo)與相互配合關(guān)系，可分為有功功率類控制與無功功率類控制。有功功率類控制主要調(diào)節(jié)有功功率或與其相關(guān)的直流電壓、交流系統(tǒng)頻率等物理量，無功功率類控制主要調(diào)節(jié)無功功率或交流電壓。

由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，海上換流站不能通過定有功功率控制方式來控制直流系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β剩駝t在風(fēng)速變化時(shí)會引起頻率波動，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時(shí)需要采用定頻率控制，保證風(fēng)電場并網(wǎng)端頻率穩(wěn)定。海上換流器應(yīng)向無源網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的交流電壓，需要對無源側(cè)的交流電壓進(jìn)行控制。同時(shí)，為了保證直流電壓穩(wěn)定而使各站換流站正常工作，在柔性直流輸電系統(tǒng)中，應(yīng)選取一站進(jìn)行直流電壓控制。因此，對于如東柔性直流輸電工程，海上站控制方式為定交流電壓控制與定頻率控制，陸上站控制方式為定直流電壓控制與定交流電壓/無功功率控制。

圖2 柔性直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)示意圖

2）換流站級控制確定站內(nèi)的控制策略，換流站級控制器原理如圖3所示，在dq坐標(biāo)系下建立電壓源型換流器（voltage source converter, VSC）數(shù)學(xué)模型，根據(jù)有功功率、無功功率和直流電壓等指令值，結(jié)合系統(tǒng)電壓，生成交流電流的指令值，通過調(diào)節(jié)換流器輸出的交流電壓使交流電流跟蹤其指令值。內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)接收來自外環(huán)控制的有功、無功電流的參考值idref和iqref ，并快速跟蹤參考電流，實(shí)現(xiàn)換流器交流側(cè)電流波形和相位的直接控制。

圖3 換流站級控制器原理

3）換流閥和子模塊級控制。換流閥級控制主要作用為接收控制主機(jī)參考波，疊加子模塊電容均壓及環(huán)流控制等，產(chǎn)生換流閥基本模塊的投切觸發(fā)。換流閥子模塊級控制的任務(wù)是接收閥級控制產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號，根據(jù)觸發(fā)脈沖信號，對子模塊絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）進(jìn)行開通和關(guān)斷控制。

2.2 控制系統(tǒng)各部分對系統(tǒng)振蕩頻帶的影響

將柔性直流輸電系統(tǒng)作為一個(gè)整體，以解耦形式研究柔性直流輸電控制各個(gè)環(huán)節(jié)對系統(tǒng)振蕩頻帶的影響。柔性直流輸電控制各環(huán)節(jié)對系統(tǒng)頻帶的影響如圖4所示，外環(huán)和鎖相主要影響中低頻帶；內(nèi)環(huán)與前饋濾波主要對中頻段至高頻段影響較大；延時(shí)和調(diào)制對高頻段產(chǎn)生影響，過大的延時(shí)導(dǎo)致?lián)Q流器在較低的高頻段呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性，使其對系統(tǒng)振蕩阻尼減弱甚至放大振蕩。因此，詳細(xì)研究實(shí)際控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的延時(shí)，可以作為制定不同頻帶振蕩抑制策略的重要依據(jù)。

圖4 柔性直流輸電控制各環(huán)節(jié)對系統(tǒng)頻帶的影響

3 延時(shí)測試方法

分別對控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)、閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)及控制系統(tǒng)全鏈路延時(shí)進(jìn)行測試，下面分別說明。

3.1 控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試

控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)包含測量裝置自身延時(shí)、測量裝置至直流極控制保護(hù)（pole control and prote- ctions, PCP）主機(jī)的傳輸延時(shí)、PCP自身延時(shí)及PCP主機(jī)至柔性直流輸電閥控系統(tǒng)的傳輸延時(shí)4部分。

其中，測量裝置自身延時(shí)主要包含數(shù)據(jù)接收及轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)與數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)3部分。數(shù)據(jù)接收及轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)為交流采集板卡信號接收、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)同步電壓電流，并發(fā)送給數(shù)字信號處理（digital signal processing, DSP）芯片；數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理工作；數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)將數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為千兆光信號并發(fā)出。

PCP主機(jī)自身延時(shí)主要包含數(shù)據(jù)接收及轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)、控制環(huán)節(jié)與數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)接收及轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)接收、轉(zhuǎn)換測量裝置發(fā)送的千兆光信號，獲取系統(tǒng)實(shí)際模擬量信息；數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)系數(shù)轉(zhuǎn)換及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理工作；控制環(huán)節(jié)通過控制的閉環(huán)運(yùn)算，生成參考波并從DSP芯片發(fā)出；數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)將DSP芯片發(fā)出的參考波轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)出。

控制保護(hù)系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試對上述4部分延時(shí)進(jìn)行整體測量。裝置輸入的理想正弦電壓經(jīng)過測量裝置采樣、轉(zhuǎn)換、輸出，以及PCP主機(jī)接收、轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)變換、生成參考波等環(huán)節(jié)，輸出至柔性直流VBC系統(tǒng)。應(yīng)注意的是，該電壓在PCP中僅經(jīng)過數(shù)據(jù)接收、計(jì)算與輸出這一完整流程，其相位未改變。測量裝置輸入的正弦電壓與閥控裝置接收的參考波之間的相位差等效延時(shí)時(shí)間，即為控制保護(hù)系統(tǒng)鏈路延時(shí)。

由于PCP主機(jī)裝置發(fā)送給閥控裝置的參考波采用60044-8光信號，無法直接錄波，故增加一臺獨(dú)立的測試裝置，該裝置能接收并將PCP輸出的60044-8光信號轉(zhuǎn)換為與其相位一致的方波電平信號（光電轉(zhuǎn)換時(shí)延約25 ns，可忽略不計(jì)），并輸出至示波器。通過計(jì)算方波信號與輸入測量裝置正弦電壓的過零點(diǎn)的時(shí)間差，即可計(jì)算出控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)。控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試方法如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試方法

3.2 閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試

閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試可采用以下兩種方法。

1）方法1。在PCP主機(jī)中設(shè)置固定的橋臂參考波，由于如東柔性直流輸電工程的直流額定電壓為800 kV，因此將參考波設(shè)置為幅值為0與800碼值的方波。當(dāng)閥控裝置收到幅值為0的方波時(shí)，所有子模塊退出；當(dāng)閥控裝置收到幅值為800的方波時(shí)，所有子模塊投入。PCP將方波以60044-8光信號的形式發(fā)出，連接至一臺獨(dú)立的測試裝置，轉(zhuǎn)換為與其相位一致的方波電平信號。比較獨(dú)立測試裝置輸出的電平信號與子模塊投入的命令信號之間的時(shí)間差，即可得到鏈路延時(shí)。閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試方法1如圖6所示。

圖6 閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試方法1

2）方法2。PCP發(fā)出換流器解鎖命令，閥控接收解鎖信號并通過電平信號輸出，同時(shí)閥控將脈沖分配屏發(fā)至子模塊的解鎖信號通過電平信號輸出，檢測兩個(gè)解鎖信號的時(shí)間差值即可得到閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)。

3.3 全鏈路延時(shí)測試

控制保護(hù)系統(tǒng)全鏈路延時(shí)由控制系統(tǒng)延時(shí)測試與閥控系統(tǒng)延時(shí)測試綜合得到，控制系統(tǒng)全鏈路延時(shí)測試方法如圖7所示。首先，與控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試相同，信號源為測量裝置輸入的理想正弦電壓，PCP主機(jī)收到該電壓后，根據(jù)其過零點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)固定的橋臂參考波，該參考波為0與800碼值的方波。閥控裝置收到方波后，子模塊整體投入或退出。比較測量裝置輸入的正弦電壓的過零點(diǎn)（負(fù)到正或正到負(fù)）和子模塊控制（submodule controller, SMC）發(fā)出子模塊IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷信號之間的相位差，該相位差等效延時(shí)時(shí)間即為控制保護(hù)系統(tǒng)全鏈路延時(shí)。

圖7 控制系統(tǒng)全鏈路延時(shí)測試方法

4 延時(shí)測試結(jié)果

4.1 控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)

控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試結(jié)果如圖8所示。測量裝置實(shí)時(shí)采樣交流電壓，示波器的通道2（粉色）對應(yīng)測量裝置輸入信號，通道1（藍(lán)色）為PCP輸出60044-8光信號轉(zhuǎn)換后的方波，橫軸為時(shí)間（20 ms/格）。由示波器波形可以看出，延時(shí)為80～90 ms，此結(jié)果與硬件平臺延時(shí)理論值（87.2 ms）基本一致。

圖8 控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試結(jié)果

4.2 閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)

1）采用方法1測試陸上站閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)，測試結(jié)果如圖9所示，示波器的通道1（藍(lán)色）對應(yīng)橋臂參考波，通道2（紅色）為子模塊投入命令信號，延時(shí)為38 ms。

圖9 陸上站閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試結(jié)果（方法1）

2）采用方法2測試海上站閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)，測試結(jié)果如圖10所示，示波器的通道1（藍(lán)色）對應(yīng)閥控接收的解鎖信號，通道2（紅色）為子模塊解鎖信號，延時(shí)為40 ms。兩站閥控延時(shí)與文獻(xiàn)測試結(jié)果一致。

圖10 海上站閥控系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試結(jié)果（方法2）

4.3 控制系統(tǒng)全鏈路延時(shí)

1）陸上站全鏈路延時(shí)測試結(jié)果如圖11所示，示波器的通道1（藍(lán)色）對應(yīng)測量裝置輸入信號，通道2（紅色）為子模塊投入命令信號，全鏈路延時(shí)為134 ms。

圖11 陸上站全鏈路延時(shí)測試結(jié)果

2）海上站全鏈路延時(shí)測試結(jié)果如圖12所示，示波器的通道2（紅色）對應(yīng)測量裝置輸入信號，通道1（藍(lán)色）為子模塊退出命令信號，全鏈路延時(shí)為135 ms。

圖12 海上站全鏈路延時(shí)測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文提出了柔性直流輸電控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試方法，并依托江蘇如東柔性直流輸電工程進(jìn)行測試，得到如下結(jié)論：

1）所提測試方法有效，測試結(jié)果與硬件平臺設(shè)計(jì)理論值基本一致。該方法可推廣應(yīng)用至統(tǒng)一潮流控制器、特高壓直流輸電等其他工程。

2）江蘇如東柔性直流輸電工程采用新一代直流控制保護(hù)平臺，控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)降低至80～90 ms（上一代產(chǎn)品全鏈路延時(shí)135～155 ms），有利于改善換流器阻抗特性，降低系統(tǒng)振蕩風(fēng)險(xiǎn)。

3）控制系統(tǒng)全鏈路延時(shí)仍有降低空間。提高測量裝置采樣率并采用性能更強(qiáng)的采樣芯片，預(yù)計(jì)可使控制鏈路延時(shí)降低10 ms左右。控制系統(tǒng)與閥控系統(tǒng)采用千兆光纖通信，也可縮短通信延時(shí)。此外，PCP主機(jī)、閥控鏈路與子模塊控制等環(huán)節(jié)的延時(shí)，可通過優(yōu)化軟件邏輯順序、加快裝置間通信速率等方式進(jìn)行優(yōu)化。

本工作成果發(fā)表在2025年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“ 柔性直流輸電控制系統(tǒng)鏈路延時(shí)測試方法 ”，本項(xiàng)目得到國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目的支持。